Wissenschaftler erstellen 3-D chemische Karten von einzelnen Bakterien.

Wissenschaftler der National Synchrotron Light Source II (NSLS-II) – einer Einrichtung des U.S. Department of Energy (DOE) Office of Science User Facility im Brookhaven National Laboratory des DOE – haben mit ultrahellen Röntgenstrahlen einzelne Bakterien mit einer höheren räumlichen Auflösung als je zuvor abgebildet. Ihre in Scientific Reports veröffentlichte Arbeit zeigt eine Röntgenbildtechnik, die Röntgenfluoreszenzmikroskopie (RFA), als effektiven Ansatz zur Erzeugung von 3D-Bildern kleiner biologischer Proben.

„Zum ersten Mal haben wir die nanoskalige RFA eingesetzt, um Bakterien bis zur Auflösung einer Zellmembran abzubilden“, sagt Lisa Miller, Wissenschaftlerin am NSLS-II und Mitautorin der Arbeit. „Die Darstellung von Zellen auf der Ebene der Membran ist entscheidend für das Verständnis der Rolle der Zelle bei verschiedenen Krankheiten und die Entwicklung fortschrittlicher medizinischer Behandlungen.“

Die rekordverdächtige Auflösung der Röntgenbilder wurde durch die fortschrittlichen Fähigkeiten der Hard X-ray Nanoprobe (HXN) Beamline ermöglicht, einer Experimentierstation am NSLS-II mit neuartiger Nanofokussieroptik und außergewöhnlicher Stabilität.

„HXN ist die erste XRF-Strahlführung, die ein 3D-Bild mit dieser Art von Auflösung erzeugt“, sagte Miller.

Während andere bildgebende Verfahren, wie die Elektronenmikroskopie, die Struktur einer Zellmembran mit sehr hoher Auflösung abbilden können, können diese Verfahren keine chemischen Informationen über die Zelle liefern. Am HXN konnten die Forscher 3-D chemische Karten ihrer Proben erstellen, um festzustellen, wo sich Spurenelemente in der gesamten Zelle befinden.

„Bei HXN machen wir ein Bild von einer Probe in einem Winkel, drehen die Probe in den nächsten Winkel, machen ein anderes Bild und so weiter“, sagte Tiffany Victor, Hauptautorin der Studie und Wissenschaftlerin am NSLS-II. „Jedes Bild zeigt das chemische Profil der Probe bei dieser Ausrichtung. Dann können wir diese Profile zusammenführen, um ein 3D-Bild zu erstellen.“

Miller fügte hinzu: „Ein 3D-RFA-Bild zu erhalten ist wie ein Vergleich einer normalen Röntgenaufnahme, die man bei der Arztpraxis machen kann, mit einem CT-Scan.“

Die von HXN produzierten Bilder zeigten, dass zwei Spurenelemente, Kalzium und Zink, einzigartige räumliche Verteilungen in der Bakterienzelle hatten.

„Wir glauben, dass das Zink mit den Ribosomen in den Bakterien assoziiert ist“, sagte Victor. „Bakterien haben nicht viele zelluläre Organellen, im Gegensatz zu einer eukaryontischen (komplexen) Zelle, die Mitochondrien, einen Kern und viele andere Organellen aufweist. Es ist also nicht die aufregendste Probe im Bild, aber es ist ein schönes Modellsystem, das die Bildgebungstechnik hervorragend demonstriert.“

Yong Chu, der leitende Beamline-Wissenschaftler am HXN, sagt, dass die Bildgebungstechnik auch auf viele andere Forschungsgebiete anwendbar ist.

„Diese 3-D chemische Bildgebung oder Fluoreszenz-Nanotomographietechnik gewinnt in anderen Wissenschaftsbereichen an Popularität“, sagte Chu. „Zum Beispiel können wir uns vorstellen, wie sich die innere Struktur einer Batterie verändert, während sie geladen und entladen wird.“

Neben der Überwindung der technischen Barrieren für die Röntgenauflösung mit dieser Technik entwickelten die Forscher ein neues Verfahren zur Abbildung der Bakterien bei Raumtemperatur während der Röntgenmessungen.

„Im Idealfall sollte die RFA-Bildgebung an gefrorenen biologischen Proben durchgeführt werden, die kryokonserviert sind, um Strahlenschäden zu vermeiden und ein physiologisch relevanteres Verständnis der Zellprozesse zu erhalten“, sagte Victor. „Aufgrund der beengten Platzverhältnisse in der Probenkammer von HXN konnten wir die Probe nicht mit einer Kryostation untersuchen. Stattdessen haben wir die Zellen in kleine Natriumchloridkristalle eingebettet und die Zellen bei Raumtemperatur abgebildet. Die Natriumchloridkristalle behielten die stabförmige Form der Zellen bei, und sie erleichterten die Lokalisierung der Zellen, was die Laufzeit unserer Experimente verkürzte.“

Die Forscher sagen, dass der Nachweis der Wirksamkeit der Röntgenbildtechnik sowie der Probenvorbereitungsmethode der erste Schritt in einem größeren Projekt zur Abbildung von Spurenelementen in anderen biologischen Zellen im Nanobereich war. Das Team ist besonders an der Rolle von Kupfer beim Neurontod bei der Alzheimer-Krankheit interessiert.

„Spurenelemente wie Eisen, Kupfer und Zink sind nahrhaft, können aber auch bei Krankheiten eine Rolle spielen“, sagte Miller. „Wir wollen die subzelluläre Lage und Funktion von metallhaltigen Proteinen im Krankheitsprozess verstehen, um effektive Therapien zu entwickeln.“

Mehr Informationen:
Tiffany W. Victor et al. Röntgenfluoreszenz-Nanotomographie einzelner Bakterien mit einem Sub-15 nm Strahl, wissenschaftliche Berichte (2018). DOI: 10.1038/s41598-018-31461-y

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